CN111580198B - 一种基于Tamm态诱导的超宽截止窄带通滤波器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于Tamm态诱导的超宽截止窄带通滤波器，器件结构自下而上由衬底、底层一维光子晶体、第一介质层、负介电常数材料层、第二介质层、顶层一维光子晶体组成。当特定波长的光照射在此窄带通滤波器上时，会在负介电常数材料层与光子晶体的交界处激发Tamm等离激元，诱导该波长的光能透过该器件，形成窄带透射，定义窄带透射中心波长为该器件的中心波长，通过调整光子晶体的禁带和反射相位能够灵活地改变中心波长的透射峰位。该器件截止范围可从深紫外到远红外，中心波长从可见到红外可调，并且结构简单、层数少，易与探测器集成。

Description

一种基于Tamm态诱导的超宽截止窄带通滤波器

技术领域

本发明涉及光学滤波器领域，具体涉及一种光学窄带通滤波器。

背景技术

光学窄带通滤波器是一种能让单一、指定波长的光通过，而其他波长的光则被截止的器件，它被广泛应用于光通信、光谱检测以及辐射测温等领域。比如空间量子通信就需要在太阳等强大的背景辐射下探测带宽极窄的激光信号，但由于探测器本身响应范围宽，白天阳光造成的噪声，比夜晚要高5个数量级。白天进行量子通信时，太阳光进入到探测器后都会形成极大的噪声干扰，携带有效信息的单光子会被完全淹没在阳光的背景噪声中，从而导致目前的空地量子密钥分发卫星和地面都只能在地影区工作，严重受到气候天象的制约，使空间量子通信的应用只能在弱月光夜晚进行，受到了极大的限制。因此迫切需要截止范围超宽、截止效果好的窄带通滤波器。

目前主流的滤波器件有薄膜滤波器、阵列波导光栅滤波器、光纤布拉格光栅滤波器。其中薄膜滤波器具有结构简单、工艺成熟、环境稳定性好，插入损耗极小、偏振损耗小、配置灵活和易与探测器集成等优点，因此商用最早且使用范围最广，也是目前市场上占有率最高的器件。

传统的窄带薄膜滤波器主要分为：金属-介质法布里珀罗滤波器和全介质法布里珀罗滤波器。

对于金属-介质法布里珀罗滤波器而言，其优点是具有极宽的截止带，但是由于金属存在吸收，该类滤光片的透过率较低、带宽不能做到很窄(一般在近红外波段为几十纳米)，而且会在整数倍波数处出现次级干涉峰。

与金属-介质法布里珀罗滤波器不同，采用一维光子晶体结构制作反射镜的全介质法布里珀罗滤波器的透过率能做到很高，并且带宽也能做到很窄(在近红外波段小于1nm)。但是，全介质法布里珀罗滤波器只能对某一个波段有截止的效果，在这一波段外的光线都会透过，这就是所谓的旁通带。在大多数情况下，为了消除旁通带，需要在该膜系的基础上再贴上短波通滤光片和长波通滤光片，分别消除长波旁通带和短波旁通带，然而长(短)波通滤光片,需要几十甚至上百层的膜层才能完成，制作复杂且很难完全消除干涉杂峰的影响。

Tamm等离激元是在本世纪初由杜伦大学的教授M.Kaliteevski提出的一种存在于负介电常数材料和光子晶体界面处的光子表面态。和传统的等离激元不同，它存在于光子晶体的禁带中，不需要满足全内反射的条件，因此可以直接被入射光照射所激发。利用Tamm等离激元的特性，可以制作基于Tamm态诱导的超宽截止窄带通滤波器。

发明内容

有鉴于此，本发明提出一种基于Tamm态诱导的超宽截止的窄带通滤波器，利用特定波长的入射光在光子晶体和负介电常数材料界面激发Tamm等离激元，从而诱导该波长的光透射，进一步的，利用衬底材料和负介电常数材料的双重截止效果，使得除中心波长以外的光被截止，截止范围可从深紫外到远红外。

所述的基于Tamm态诱导的超宽截止窄带通滤波器的结构从下往上依次为：衬底1，底层一维光子晶体2，第一介质层3，负介电常数材料层4，第二介质层5，顶层一维光子晶体6。

所述的底层一维光子晶体2为生长方向垂直于衬底表面的周期性交替介质薄膜，其组成材料为两种或两种以上的介质材料，其光子禁带包含超宽截止窄带通滤波器要求透过的窄带透射波长。底层一维光子晶体2的结构包括但不限于：(HL)ⁿ、(0.5H 1.5L)ⁿ、(3H3L)ⁿ、(HKL)ⁿ、(LKH)ⁿ，其中H为高折射率材料，K为中折射率材料，L为低折射率材料，n为膜层数且n为正整数，材料的光学厚度为中心波长的四分之一，字母前的数字代表材料厚度的变化。底层一维光子晶体2的材料包括但不限于：Si、Ge、Ta₂O₅、TiO₂、Nb₂O₅、Bi₂O₃、CdS、CdTe、CeO₂、CdSe、Gr₂O₃、金刚石、Dy₂O₃、Fe₂O₃、GaAs、HfO₂、Ho₂O₃、InAs、InSb、In₂O₃、PbTe、PbCl₂、PbF₂、Se、Sb₂O₃、Sb₂S₃、SnO₂、Si₃N₄、Te、ZnO、ZnSe、SiO、ZnS、SiO₂、Al₂O₃、AlO_xN_y、AlF₃、BiF₃、BaF₂、CaF₂、CeF₃、CsBr、CsI、Eu₂O₃、Gd₂O₃、LiF、LaF₃、La₂O₃、MgF₂、MgO、NaF、Na₃Al₃F₆、Nd₂O₃、NdF₃、Pr₆O₁₁、Sc₂O₃、SrF₂、SmF₃、Sm₂O₃、ThF₄、YbF₃、Y₂O₃、ZrO₂。

所述的顶层一维光子晶体6为生长方向垂直于衬底表面的周期性交替介质薄膜，其组成材料为两种或两种以上的介质材料，其光子禁带包含超宽截止窄带通滤波器要求透过的窄带透射波长。顶层一维光子晶体6的结构包括但不限于：(HL)ⁿ、(0.5H 1.5L)ⁿ、(3H3L)ⁿ、(HKL)ⁿ、(LKH)ⁿ，其中H为高折射率材料，K为中折射率材料，L为低折射率材料，n为膜层数且n为正整数，材料的光学厚度为中心波长的四分之一，字母前的数字代表材料厚度的变化。顶层一维光子晶体6的材料包括但不限于：Si、Ge、Ta₂O₅、TiO₂、Nb₂O₅、Bi₂O₃、CdS、CdTe、CeO₂、CdSe、Gr₂O₃、金刚石、Dy₂O₃、Fe₂O₃、GaAs、HfO₂、Ho₂O₃、InAs、InSb、In₂O₃、PbTe、PbCl₂、PbF₂、Se、Sb₂O₃、Sb₂S₃、SnO₂、Si₃N₄、Te、ZnO、ZnSe、SiO、ZnS、SiO₂、Al₂O₃、AlO_xN_y、AlF₃、BiF₃、BaF₂、CaF₂、CeF₃、CsBr、CsI、Eu₂O₃、Gd₂O₃、LiF、LaF₃、La₂O₃、MgF₂、MgO、NaF、Na₃Al₃F₆、Nd₂O₃、NdF₃、Pr₆O₁₁、Sc₂O₃、SrF₂、SmF₃、Sm₂O₃、ThF₄、YbF₃、Y₂O₃、ZrO₂。

所述的第一介质层3为介质材料，用以调节底层一维光子晶体2上表面的反射相位以满足中心波长的入射光在第一介质层3和负介电常数材料层4界面处激发Tamm等离激元的条件，即

其中

为第一介质层3上表面反射相位，

为负介电常数材料层4下表面反射相位，k为整数。所述第一介质层3的材料包括但不限于：Si、Ge、Ta₂O₅、TiO₂、Nb₂O₅、Bi₂O₃、CdS、CdTe、CeO₂、CdSe、Gr₂O₃、金刚石、Dy₂O₃、Fe₂O₃、GaAs、HfO₂、Ho₂O₃、InAs、InSb、In₂O₃、PbTe、PbCl₂、PbF₂、Se、Sb₂O₃、Sb₂S₃、SnO₂、Si₃N₄、Te、ZnO、ZnSe、SiO、ZnS、SiO₂、Al₂O₃、AlO_xN_y、AlF₃、BiF₃、BaF₂、CaF₂、CeF₃、CsBr、CsI、Eu₂O₃、Gd₂O₃、LiF、LaF₃、La₂O₃、MgF₂、MgO、NaF、Na₃Al₃F₆、Nd₂O₃、NdF₃、Pr₆O₁₁、Sc₂O₃、SrF₂、SmF₃、Sm₂O₃、ThF₄、YbF₃、Y₂O₃、ZrO₂。

所述的第二介质层5为介质材料，用以调节顶层一维光子晶体6下表面的反射相位以满足中心波长的入射光在第二介质层5和负介电常数材料层4界面处激发Tamm等离激元的条件，即

其中

为第二介质层5上表面反射相位，

为负介电常数材料层4上表面反射相位，k为整数。所述第二介质层5的材料包括但不限于：Si、Ge、Ta₂O₅、TiO₂、Nb₂O₅、Bi₂O₃、CdS、CdTe、CeO₂、CdSe、Gr₂O₃、金刚石、Dy₂O₃、Fe₂O₃、GaAs、HfO₂、Ho₂O₃、InAs、InSb、In₂O₃、PbTe、PbCl₂、PbF₂、Se、Sb₂O₃、Sb₂S₃、SnO₂、Si₃N₄、Te、ZnO、ZnSe、SiO、ZnS、SiO₂、Al₂O₃、AlO_xN_y、AlF₃、BiF₃、BaF₂、CaF₂、CeF₃、CsBr、CsI、Eu₂O₃、Gd₂O₃、LiF、LaF₃、La₂O₃、MgF₂、MgO、NaF、Na₃Al₃F₆、Nd₂O₃、NdF₃、Pr₆O₁₁、Sc₂O₃、SrF₂、SmF₃、Sm₂O₃、ThF₄、YbF₃、Y₂O₃、ZrO₂。

所述的负介电常数材料层4用以阻碍包括中心波长在内的低能量光子通过，所选的材料包括：金属、合金、超材料、超导材料。其厚度区间为[0.01μm,1μm]。

所述的衬底1用以阻碍负介电常数材料层4无法截止的高能量光子通过，所选的材料包括但不限于：硅、二氧化硅、锗、硫化锌、砷化镓、铟镓砷、碲镉汞、有色玻璃。

可选的，在衬底1背面增加增透膜，以提高窄带透过率。

可选的，若底层一维光子晶体2的上表面反射相位

和负介电常数材料层4的下表面反射相位

在中心波长处满足Tamm等离激元形成条件

其中n为整数，则可去掉第一介质层3。

可选的，若顶层一维光子晶体6的下表面反射相位

和负介电常数材料层4的上表面反射相位

在中心波长处满足Tamm等离激元形成条件

其中n为整数，则可去掉第二介质层5。

本发明的优点如下：

1、具有超宽的截止带，截止带宽可从深紫外到远红外。

2、适用范围广，从可见到短、中、长波红外波段均适用。

3、具有窄的通带透射带宽，在近红外波段带宽在10nm以内。

4、相比法布里珀罗滤波器，本发明滤波器的峰形更接近于矩形波，通带内的能量利用率更高。

5、结构简单、层数少、总厚度薄，易于与探测器集成。

下面结合附图和具体实施方式进行进一步说明。

附图说明

图1为本发明的Tamm态诱导超宽截止窄带通滤波器结构示意图。

图2为本发明实施例1的Tamm态诱导超宽截止窄带通滤波器结构示意图。

图3为本发明实施例1的超宽截止窄带通滤波器透射谱。

图4为本发明实施例2的Tamm态诱导超宽截止窄带通滤波器结构示意图。

图5为本发明实施例2的超宽截止窄带通滤波器透射谱。

图6为本发明实施例3的Tamm态诱导超宽截止窄带通滤波器结构示意图。

图7为本发明实施例3的超宽截止窄带通滤波器透射谱。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一

在本实施例中，我们展示1550nm波长处透射的超宽截止窄带通滤波器。

超宽截止窄带通滤波器的结构如图2所示，从下往上依次为：增透膜1，选用材料为SiO，厚度为200nm；衬底2，选用材料为硅；一维光子晶体3，选用材料为SiO和SiO₂，膜系为(LH)^7；负介电常数材料层4，选用材料为Ag，厚度为55nm；一维光子晶体5，选用材料为SiO和SiO₂，膜系为(HL)^7。

整个材料的膜系为Sub|(LH)^7M(HL)^7。其中Sub为硅衬底，H为SiO，L为SiO₂，M为55nm银层，中心波长为1510nm，在衬底下表面镀制一层厚度为200nm的SiO增透膜。

其透射谱如图3所示，可以发现，截止范围至少为0.1μm到100μm，透过率为72％，半峰宽为15nm。

实施例二

在本实施例中，我们展示800nm波长处透射的超宽截止窄带通滤波器。

超宽截止窄带通滤波器的结构如图4所示，从下往上依次为：衬底1，选用材料为红色透明玻璃；底层一维光子晶体2，选用材料为Ta₂O₅和SiO₂，膜系为(HL)^6；第一介质层3，材料为SiO₂，膜系为L；负介电常数材料层4，选用材料为Ag，厚度为70nm；第二介质层5，材料为SiO₂，膜系为1.82L；顶层一维光子晶体6，选用材料为Ta₂O₅和SiO₂，膜系为1.06(3H 3L)^5。

整个材料的膜系为Sub|(HL)^6L M 1.82L 1.06(3H 3L)^5。其中Sub为红色透明玻璃衬底，H为Ta₂O₅，L为SiO₂，M为70nm银层，中心波长为770nm。

其透射率曲线如图5所示，可以发现，截止范围至少为0.1μm到100μm，透过率为75％，半峰宽为6nm。

实施例三

在本实施例中，我们展示1550nm波长处透射的超宽截止窄带通滤波器。

超宽截止窄带通滤波器的结构如图6所示，从下往上依次为：增透膜1，选用材料为SiO；硅衬底2；一维光子晶体3，选用材料为SiO和SiO₂，膜系为(1.5K 0.5L)^9；介质层4，选用材料为SiO₂，膜系为1.4L；负介电常数材料层5，选用材料为Ag，厚度为55nm；光子晶体6，选用材料为Si、SiO、SiO₂，膜系为(0.66H 0.66K 0.66L)^4。

整个材料的膜系为Sub|(1.5K 0.5L)^9 1.4L M(0.66H 0.66K 0.66L)^4。其中Sub为硅衬底，H为Si，K为SiO，L为SiO₂，M为55nm银层，中心波长为1510nm，在衬底下表面镀制一层厚度为200nm的SiO增透膜。

其透射率曲线如图7所示，可以发现，截止范围至少为0.1μm到100μm，透过率为71.5％，半峰宽为23nm。

Claims (6)

1.一种基于Tamm态诱导的超宽截止窄带通滤波器，其特征在于:

所述的超宽截止窄带通滤波器的结构自下而上依次为：衬底(1)，底层一维光子晶体(2)，第一介质层(3)，负介电常数材料层(4)，第二介质层(5)，顶层一维光子晶体(6)；

所述的底层一维光子晶体(2)为生长方向垂直于衬底表面的周期性交替介质薄膜，由两种或两种以上的不同折射率的介质材料组成，其光子禁带包含超宽截止窄带通滤波器要求透过的中心波长λ₀；

所述的顶层一维光子晶体(6)为生长方向垂直于衬底表面的周期性交替介质薄膜，由两种或两种以上的不同折射率的介质材料组成，其光子禁带包含超宽截止窄带通滤波器要求透过的中心波长λ₀；

所述的第一介质层(3)的厚度要求波长在中心波长λ₀的入射光在第一介质层(3)上表面的反射相位

满足Tamm等离激元的激发条件：

其中k为整数，

为负介电常数材料层(4)下表面的反射相位；

所述的第二介质层(5)的厚度要求波长在中心波长λ₀的入射光在第二介质层(5)下表面的反射相位

满足Tamm等离激元的激发条件：

其中k为整数，

为负介电常数材料层(4)上表面的反射相位。

2.根据权利要求1所述的基于Tamm态诱导的超宽截止窄带通滤波器，其特征在于：

所述的负介电常数材料层(4)的材料采用金属、合金、超材料或超导材料，其厚度区间为[0.01μm，1μm]。

3.根据权利要求1所述的基于Tamm态诱导的超宽截止窄带通滤波器，其特征在于：

所述的衬底(1)的材料采用硅、二氧化硅、锗、硫化锌、砷化镓、铟镓砷、碲镉汞或有色玻璃。

4.根据权利要求1所述的基于Tamm态诱导的超宽截止窄带通滤波器，其特征在于，在所述的衬底(1)的背面可增加提高窄带通的透过率的增透膜。

5.根据权利要求1所述的基于Tamm态诱导的超宽截止窄带通滤波器，其特征在于，若所述的底层一维光子晶体(2)的上表面反射相位

和负介电常数材料层(4)的下表面反射相位

在中心波长处满足Tamm等离激元的激发条件

其中k为整数，则可去掉第一介质层(3)。

6.根据权利要求1所述的基于Tamm态诱导的超宽截止窄带通滤波器，其特征在于，若所述的顶层一维光子晶体(6)的下表面反射相位

和负介电常数材料层(4)的上表面反射相位

在中心波长处满足Tamm等离激元的激发条件

其中k为整数，则可去掉第二介质层(5)。

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